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문제 정의
- 동중국해 북부해역 대상, 장기간의 음속자료를 토대로 천해에서 음파전달 특성의 시공간적 변동에 대하여 알아보았다.
- 본 연구에서는 동중국해 북부해역에서 지난 11년 동안 관측된 해양물리 자료를 이용하여 천해환경에서 음파전달 특성의 시공간적 변동성을 전반적인 관점에서 알아보고자 한다.
제안 방법
- 16에서는 전선대 존재 유무에 따른 음파전달 손실을 비교하였다. 거리독립환경은 음원이 위치한 지점에서의 음속을 거리에 따라 동일하게 적용하였고, 거리종속환경은 각 정점의 음속자료가 사용되었다.
- 계절별 전달손실 계산시 적용한 춘계환경을 대상으로 음원을 50 m에 위치시키고 3개의 주파수(600, 2000, 9000 Hz)에 전달손실을 계산하였다(Fig. 10). 600 Hz의 저주파 음원의 경우 음파전달 에너지 손실이 가장 적으며 원거리 전파를 보이고 있다.
- 특히, 천해환경에서는 해저면이 음파전달에 큰 영향을 미치므로 정확한 지음향 자료의 모델 입력이 필요하다. 동계환경에서 음원 수심 50 m, 주파수 1000 Hz 및 Table 1의 자료를 적용하여 음파 전달손실을 산출하였으며(Fig. 11), Fig. 11의 위에서 아래쪽 끝으로 갈수록 해저면내 매질의 밀도와 음속이 높아지는 지음향 자료가 입력되어 있다.
- 15에서 수신기 수심이 20 m 일때의 전달손실 값을 나타내고 있다. 음파 송신 초기 해저면 영향을 많이 받는다고 생각되는 부분을 제외한 나머지 거리(약 10 km～)에 대하여 전달손실 값 차이를 계산해 보았다. 음파가 전선대를 45° 방향으로 통과시는 평균 8.
- 음파전달의 계절 및 연변화, 주파수에 따른 변화, 해저면 구성성분에 따른 변화 및 전선대 존재 유무에 따른 변화에 대하여 전반적인 양상 위주로 분석하였다.
- 전선대(Water front)에 따른 음파전달 특성 변화를 분석하기 위해서 Fig. 1에서 보는 바와 같이 음원위치와 음파 송신방향을 전선대/양쯔뱅크를 기준하여 3가지 경우(45°, 90°, 평행)로 구분하였고, 음속은 해당 경로상의 정점 음속자료를 사용하였다.
- 동계 동중국해 북부해역에는 양쯔뱅크 끝단 등수심선을 따라 ‘북서-남동’ 방향으로 전선대가 형성된다. 전선대로 인한 음파전달 변화를 보기위해 전선대를 중심으로 음원의 위치와 음파 송신방향(Fig. 1)을 다르게 하여 계절별 음파전달 양상을 알아보고, 거리독립 및 거리종속환경에 대한 음파전달 변화를 비교하였다.
대상 데이터
- 을 사용하였으며 이를 통해 전달손실(TL : Transmission Loss)을 계산하였다. 계절별(춘계, 하계, 동계) 분석을 위해 정선 316의 4개 정점(15～18)자료가 사용되었으며, 주파수에 따른 변화를 보기위해 4개의 주파수(600, 1000,2000, 9000 Hz)가 적용되었다. 또한 천해에서 음파전달 양상은 해저면 등 경계면의 특성에 따라 영향을 많이 받게 되는데, 연구해역의 해저면 구성성분은 주로 Clay, Silt 또는 Sand로 구성되어 있으며, 이를 고려하여 다양한 해저면 구성성분에 따른 전달손실 계산을 위해 지음향(Geoacoustic) 자료[5,8,11,13]를 Table 1과 같이 정리하였다.
- 동중국해 북부해역의 음파전달 특성의 시공간적 변동성 분석에 사용된 수온 및 염분 자료는 국립수산과학원(NFRDI : National Fisheries Research and Development Institute)에서 동중국해 북부해역을 대상으로 관측한 자료중 2002∼2012년까지 11년간의 자료이다.
- 계절별(춘계, 하계, 동계) 분석을 위해 정선 316의 4개 정점(15～18)자료가 사용되었으며, 주파수에 따른 변화를 보기위해 4개의 주파수(600, 1000,2000, 9000 Hz)가 적용되었다. 또한 천해에서 음파전달 양상은 해저면 등 경계면의 특성에 따라 영향을 많이 받게 되는데, 연구해역의 해저면 구성성분은 주로 Clay, Silt 또는 Sand로 구성되어 있으며, 이를 고려하여 다양한 해저면 구성성분에 따른 전달손실 계산을 위해 지음향(Geoacoustic) 자료[5,8,11,13]를 Table 1과 같이 정리하였다.
- 사용된 수온 및 염분 자료는 표준수심(0, 10, 20, 30,50, 75, 100 m) 별로 정리된 자료이며, 해양자료센터(KODC : Korea Oceanographic Data Center)에서 온라인으로 제공하고 있다[10].
- 자료는 3개 정선(315, 316, 317(124°00'～127°30' E, 31°30'～32°30' N))의 32개 정점에서 매년 2월, 5월, 8월에 관측된 CTD(Conductivity Temperature and Depth) 자료이다(Fig. 1).
- 정선 316의 정점 15～18에 대하여 11년간의 음속 수직 프로파일을 계절별로 충첩하여 나타내었다(Fig. 5). 정점 구간은 앞에서 언급한 계절별 음속변화가 높은 지역에 해당된다.
- . 해저면 지음향 관련 자료는 해밀턴 등이 제시한 자료를 참고하고 연구해역의 해저면 구성성분 분포를 고려하여 모델 입력자료로 활용하였다(Table 1).
이론/모형
- 연구해역의 음속자료는 32개 정점의 수온, 염분 및 수심 자료를 Mackenzie 공식[12]에 적용하여 계산되었으며, 자료에 대한 내삽은 Monotone Cubic Hermite 방법을 사용하여 왜곡을 최소화 하였다[4].
- 음속자료는 계절별로 평균하여 음속변화 분석 및 음향모델(Acoustic model)의 입력자료로 활용하였고,모델은 음선이론(Ray theory) 기반의 고주파 거리종속환경에 적합한 모델로 알려져 있는 Bellhop[3,14]을 사용하였으며 이를 통해 전달손실(TL : Transmission Loss)을 계산하였다. 계절별(춘계, 하계, 동계) 분석을 위해 정선 316의 4개 정점(15～18)자료가 사용되었으며, 주파수에 따른 변화를 보기위해 4개의 주파수(600, 1000,2000, 9000 Hz)가 적용되었다.
성능/효과
- 해양환경 변화가 복잡한 천해 환경에서의 음파전달은 주로 해저면 등 경계면에 의한 영향이 크게 나타났으며, 특히 전선대가 존재하는 경우 음원의 위치와 송신방향에 따라 음파전달 변화에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 계절별 음파전달 특성 변화를 보면, 동계에는 SLD의 발달로 다양한 음원수심에서도 전반적으로 양호한 음파전달을 보였으며, 역경사 해저면의 경우가 더 양호한 음파전달을 보였다. 하계에는 강한 수온약층으로 인해 음파의 하향 굴절이 우세하여 송신 초기 근거리에서 대부분의 에너지가 손실되는 양상을 보였다.
- 동계 동중국해 북부해역에 형성되는 전선대는 음파 전달손실에 큰 영향을 미침을 알 수 있으며, 전선대 형성 위치를 기준으로 하여 음원의 위치와 음파 송신 방향에 따라 음파전달 변화 양상에 큰 차이를 보였다.
- 동계절 전선대 존재시 음원의 위치와 송신방향에 따른 음파전달 변화를 분석한 결과 음파를 전선대와 양쯔뱅크에 90° 방향으로 송신시 전선대가 없을 경우 대비 손실 값이 평균 12.7 dB 차이로 가장 높게 나타났으며, 다음으로 45° 방향이며 평행한 방향에서는 상대적으로 적은 2.8 dB의 전달손실 차이를 보였다.
- 춘계에는 주로 중간 수심이하, 즉 역경사 해저면의 경우 수심 50 m 이하, 순경사의 경우 30 m 이하에서 비교적 양호한 음파전달을 보였다. 또한 동계 11년 간의 연변화에서는 최대 19.7 dB의 전달손실 표준편차를 보여 변화가 많음을 알 수 있으며, 이는 대마난류수와 중국대륙 연안수의 연변화가 동계 음파전달에 미치는 영향이 큼을 보여준다.
- 음파가 전선대를 45° 방향으로 통과시는 평균 8.2 dB, 최대 31.8 dB, 전선대를 90° 방향으로 가로지를 경우는 평균 12.7 dB, 최대 40.2 dB 차이를 보였으며, 음파 송신이 전선대와 평행한 경우는 평균 2.8 dB, 최대 18.4 dB의 전달손실 값 차이를 보였다.
- 전선대가 존재하는 거리종속환경에서는 상대적으로 전달손실이 높게 나타났으며, 특히 양쯔뱅크 및 전선대를 약 45°와 90° 방향으로 통과하는 경우에는 뱅크 및 전선대와 평행한 경우보다 음파전달이 불량하게 나타났다.
- 9의 상부 그림은 동계 11년 기간(2002～2012년) 동안의 전달손실 값 중 수신기 수심 30 m에서의 손실값만을 별도로 중첩하여 나타낸 것이다. 평균값(검정선)을 기준으로 변화 폭이 상당히 큼을 볼 수 있으며, 최대 변화 폭은 45.4 dB를 보였다. 2007년과 2011년의 전달손실 값은 다른 연도와 비해 변화의 폭이 크게 나타났다.
- 해저면 구성성분을 6가지 형태로 구분하여 음파전달과의 연관성을 파악한 결과 해당 구성성분의 반사계수가 낮을수록 전달손실이 높게 나타났다. 이는 해저면 반사계수가 낮을수록 해저면 반사손실은 증가하기 때문이며 결과적으로 음파전달은 불량하게 나타난다.
후속연구
- 본 연구는 이어도가 포함된 동중국해 북부해역에서의 음파전달 변동 양상을 이해하고, 해군의 수중음향 탐지시스템을 운용하는데 있어 유용한 자료로 활용될 것으로 생각된다.
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